Il sistema a idrogeno scalabile consente voli senza emissioni

La mobilità è una parte fondamentale della nostra vita quotidiana e l'aviazione è un elemento chiave per consentire di spostarsi rapidamente da un luogo all'altro.

Permettendo a persone e merci di percorrere chilometri in poche ore, l'aviazione connette le persone come nessun altro mezzo di trasporto. Questo la rende un contributo significativo all'economia globale, rappresentando il 3.5% del prodotto interno lordo (PIL) mondiale. 

Il settore supporta inoltre un totale di 86.5 milioni di posti di lavoro a livello globale, con una dimensione di mercato stimata del settore aereo mondiale superiore a 760 miliardi di dollari.

In particolare, si prevede che le compagnie aeree di tutto il mondo abbiano trasportato circa 9.5 miliardi di passeggeri nel 2024, con un aumento del 104% rispetto ai livelli del 2019 e un aumento del 9% Secondo ACI World, a partire dal 2023. Si prevede che questa crescita accelererà a una velocità maggiore, con un traffico passeggeri globale previsto in 19.5 miliardi entro il 2042.

L'industria aeronautica è chiaramente in espansione e il suo futuro è davvero luminoso. Detto questo, sta anche contribuendo a emissioni di gas serra (GHG). in misura considerevole.

Mentre l’aviazione rappresenta una quota relativamente piccola delle emissioni globali, 2.5%, è cresciuto più rapidamente di ferrovia, strada o trasporto marittimo tra il 2000 e il 2019. Questa crescente domanda di viaggi internazionali dopo la pandemia di Covid-19 ha portato le emissioni del settore aereo a quasi 950 Mt di CO2.

Non solo le emissioni del settore dell'aviazione stanno crescendo a un ritmo rapido, ma il settore rappresenta anche uno dei più difficili da decarbonizzare, ponendo una sfida ambientale critica.

Di conseguenza, l'attenzione del settore è attualmente rivolta alla decarbonizzazione delle proprie operazioni e al raggiungimento dell'obiettivo Net Zero, che prevede ridurre le emissioni di CO2 a un livello che la natura può assorbire entro il 2050.

Sbloccare la promessa dell'idrogeno per un'aviazione senza emissioni

Poiché l'aviazione contribuisce in modo considerevole alle emissioni globali di anidride carbonica e di scie di condensazione, sta diventando estremamente importante sviluppare soluzioni avanzate e complete per soddisfare gli obiettivi climatici del settore. 

Una soluzione promettente è idrogeno, l'elemento chimico più leggero e più abbondante nell'universo, che costituisce circa il 75% di tutta la materia normale.

Questo elemento chimico si è affermato come uno strumento di decarbonizzazione popolare e prezioso grazie alla sua combustione pulita. È un combustibile a combustione pulita, poiché produce solo vapore acqueo come sottoprodotto durante la combustione.

Inoltre, la densità energetica gravimetrica, ovvero l'energia disponibile per unità di massa di una sostanza, dell'idrogeno è circa 2.8 volte superiore a quella del carburante per aviazione convenzionale, il cherosene. L'idrogeno ha infatti la più alta densità energetica gravimetrica tra tutte le sostanze conosciute, ovvero circa 120 kJ/g. Al contrario, il carburante per aerei a base di cherosene ha una densità energetica pari a 43 MJ/kg.

Tuttavia, l'idrogeno ha una bassa densità a condizioni ambientali, ovvero 0.08 kg/m³. Questo pone notevoli difficoltà di stoccaggio, soprattutto per i voli a lungo raggio.

Un'alternativa pratica è quella di immagazzinare il gas incolore, inodore e insapore in forma liquida a 20 K. Questa forma aumenta la densità dell'idrogeno a 𝜌𝐿𝐻2 = 70.8 kg/m³, soluzione che si è rivelata utile per le applicazioni aeronautiche.

Le aziende hanno anche esplorato vari aspetti dell'integrazione dell'idrogeno liquido (LH2) negli aeromobili, tra cui la gestione termica, i meccanismi di controllo della pressione, le strategie di isolamento e la progettazione di serbatoi criogenici.

Tuttavia, un sistema olistico che integri l'immagazzinamento dell'LH2, la gestione termica e il controllo del trasferimento in un formato adattabile alla progettazione degli aeromobili è ancora poco esplorato.

Pertanto, un team di ricercatori del FAMU-FSU College of Engineering, un college di ingegneria congiunto della Florida A&M University e della Florida State University, ha progettato un sistema di stoccaggio e distribuzione di idrogeno liquido che può aiutare l'industria aeronautica a raggiungere il suo obiettivo di emissioni zero.  

Con il supporto della NASA, lo studio ha delineato un sistema scalabile e integrato che affronta molteplici sfide ingegneristiche consentendo l'utilizzo dell'idrogeno come combustibile pulito. Viene anche utilizzato come mezzo di raffreddamento integrato per i sistemi di alimentazione critici a bordo di aerei a propulsione elettrica. 

Il team ha dimostrato che l'idrogeno liquido può essere immagazzinato in modo efficiente, trasferito in sicurezza e utilizzato per raffreddare i sistemi critici di bordo, supportando al contempo la richiesta di energia dell'aereo durante le fasi di decollo, crociera e atterraggio.

Secondo l'autore corrispondente dello studio, Wei Guo, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica:

Il nostro obiettivo era creare un unico sistema che gestisse più attività critiche: stoccaggio del carburante, raffreddamento e controllo dell'erogazione. Questo progetto getta le basi per sistemi aeronautici a idrogeno per il mondo reale.

Aerei ibridi-elettrici a idrogeno: soluzione di propulsione scalabile

Pubblicato in Energia applicata¹, lo studio si propone di ridurre le emissioni di carbonio e di scie di condensazione del settore dell'aviazione, che contribuiscono in modo determinante al cambiamento climatico, proponendo un progetto innovativo per un sistema di stoccaggio dell'idrogeno liquido, gestione termica e controllo del suo trasferimento, personalizzato per l'Integrated Zero Emission Aviation (IZEA). 

L'IZEA è una collaborazione tra mondo accademico e industria volta a raggiungere l'azzeramento delle emissioni di gas serra nell'aviazione commerciale. Tra i partner industriali figurano Raytheon Technologies, Boeing e Advanced Magnet Laboratories.

In particolare, questa collaborazione esamina la produzione di energia ibrida attraverso una combinazione di celle a combustibile e generatori turboelettrici, utilizzando idrogeno con ossigeno concentrato o aria ambiente.

L'obiettivo di IZEA è capire come utilizzare l'idrogeno liquido come combustibile e aumentare l'efficienza e la potenza senza aumentare il peso.

Essi selezionato la Facoltà di Ingegneria della FAMU-FSU contribuirà allo sviluppo di un sistema aeronautico sostenibile alla fine del 2022, nell'ambito di un progetto quinquennale da 10 milioni di dollari.

Per realizzare l'agenda nazionale sui sistemi energetici e sulla propulsione degli aerei commerciali volta a ridurre le emissioni nocive dell'industria aeronautica, il team FAMU-FSU collaborerà con ricercatori dell'Università del Kentucky, dell'Università di Buffalo, del Georgia Tech e partner del settore, come annunciato dall'IZEA due anni e mezzo fa.

Ora la collaborazione ha affrontato la mancanza di un sistema olistico realizzando un sistema di propulsione a idrogeno completo e scalabile per i futuri aeromobili. 

Il progetto inizia con voli regionali a breve raggio per valutare la fattibilità a breve termine dell'aviazione alimentata a idrogeno liquido. L'attenzione si concentra su un prototipo di velivolo con una configurazione alare mista, in grado di trasportare 100 passeggeri.

L'aereo ibrido-elettrico ricava energia sia da celle a combustibile a idrogeno sia da generatori elettrici superconduttori ad alta temperatura (HTS), azionati da turbine a combustione alimentate a idrogeno. 

Le celle a combustibile offrono una soluzione per evitare emissioni di NOx e scie di condensazione, motivo per cui anche organizzazioni come Airbus e CHEETA stanno valutando la possibilità di utilizzare aeromobili alimentati a celle a combustibile. Tuttavia, il problema delle attuali pile di celle a combustibile è che sono estremamente ingombranti, il che rende difficile alimentare un aereo di grandi dimensioni durante le sue varie fasi, in particolare durante il decollo.  Per risolvere questo problema, il team ha introdotto la doppia fonte di alimentazione. 

Le celle a combustibile vengono utilizzate in condizioni di basso carico, come il rullaggio e la crociera, con una potenza massima di circa 6.8 MW. Nel frattempo, i generatori superconduttori azionati da turbine a idrogeno forniscono la potenza aggiuntiva (9.4 MW) necessaria durante il decollo. Questa combinazione porta la potenza totale a un picco di 16.2 MW e migliora la resilienza fornendo ridondanza di potenza.

Per affrontare la sfida della densità (l'idrogeno è meno denso e quindi occupa molto spazio a meno che non venga conservato a -253 °C come liquido estremamente freddo), i ricercatori hanno progettato serbatoi criogenici e i relativi sottosistemi utilizzando un nuovo indice gravimetrico.

L'indice è il rapporto tra la massa del carburante e l'intero sistema di alimentazione, ma l'indice del team include la massa dell'idrogeno, la struttura del serbatoio, gli scambiatori di calore, l'isolamento, i fluidi di lavoro e i dispositivi circolatori.

Per trovare la configurazione che fornisse la massima massa di carburante rispetto alla massa totale del sistema, i ricercatori hanno continuato a regolare i parametri chiave, come la pressione di sfiato e le dimensioni dello scambiatore di calore, fino a trovare quella ottimale.

Il layout ideale ha raggiunto un indice gravimetrico di 0.62. Ciò significa che il 62% del peso totale del sistema è costituito da idrogeno utilizzabile, rappresentando un miglioramento significativo rispetto ai progetti convenzionali.

Per la gestione termica, l'altra funzione chiave del sistema, i ricercatori non hanno installato un sistema di raffreddamento separato, ma hanno invece convogliato l'idrogeno estremamente freddo attraverso scambiatori di calore. Questi scambiatori, disposti in sequenza graduale, rimuovono il calore disperso da componenti come cavi, motori, generatori superconduttori ed elettronica di potenza. L'assorbimento di questo calore aumenta gradualmente la temperatura dell'idrogeno.

Ottimizzazione dell'erogazione dell'idrogeno e della gestione termica in volo

La distribuzione di idrogeno liquido all'interno dell'aeromobile presenta le sue sfide. Ad esempio, le pompe non solo comportano un peso aggiuntivo, ma anche una maggiore complessità del sistema, e possono generare calore indesiderato in condizioni criogeniche. 

Per superare queste sfide, il team ha sviluppato un sistema senza pompa che sfrutta la pressione del serbatoio per controllare il flusso di idrogeno come carburante. 

La pressione viene aumentata iniettando idrogeno gassoso da una normale bombola ad alta pressione e diminuita sfiatando vapore di idrogeno. Per la regolazione in tempo reale della pressione, un circuito di feedback collega i sensori di pressione alla richiesta di potenza del velivolo, garantendo così un flusso di idrogeno preciso in tutte le fasi di volo. 

Il sistema, secondo le simulazioni, è in grado di erogare idrogeno a una velocità fino a 0.25 chilogrammi al secondo. Questa velocità di erogazione è sufficiente a soddisfare il fabbisogno elettrico di 16.2 megawatt durante il decollo o in caso di emergenza, quando l'aereo deve riattaccare.

Grazie agli scambi di calore organizzati in ordine sequenziale, durante il movimento dell'idrogeno nel sistema, il gas raffredda innanzitutto i componenti che operano a temperature criogeniche, come cavi e generatori HTS. Successivamente, assorbe calore dai componenti a temperatura più elevata, come motori ed elettronica di potenza. Infine, prima di raggiungere le celle a combustibile, l'idrogeno viene preriscaldato per raggiungere le condizioni ottimali di ingresso della cella.

È questa integrazione termica graduale che consente di utilizzare l'idrogeno liquido sia come combustibile che come refrigerante, massimizzando così l'efficienza del sistema e riducendo al minimo la complessità dell'hardware.

In precedenza, non si sapeva come trasportare efficacemente l'idrogeno liquido in un aereo e se fosse possibile utilizzarlo anche per raffreddare il componente del sistema di alimentazione. Non solo abbiamo dimostrato che è fattibile, ma abbiamo anche dimostrato che per questo tipo di progetto è necessaria un'ottimizzazione a livello di sistema.

- Guo

L'attenzione dello studio si è concentrata sull'ottimizzazione del progetto e sulla simulazione del sistema. Nella fase successiva, i ricercatori si occuperanno della validazione sperimentale. A tal fine, il team costruirà un prototipo di sistema e ne eseguirà i test presso il Center for Advanced Power Systems della FSU.

Nel loro lavoro futuro, i ricercatori si concentreranno anche sulla progettazione degli scambiatori di calore, presenti in ogni circuito di circolazione, che trasferiscono il calore dai componenti al fluido di lavoro. Lo studio attuale non fornisce specifiche dettagliate su materiali, dimensioni e proprietà termiche di questi componenti.

Strategie innovative di gestione termica saranno inoltre al centro dell'attenzione per raffreddare le pile di celle a combustibile e gestire la significativa generazione di calore durante il funzionamento. Questi progressi, come sottolineato dallo studio, sono cruciali per perfezionare l'architettura complessiva di gestione termica e garantire l'implementazione pratica di tecnologie aeronautiche a zero emissioni.

Investire nelle tecnologie aeronautiche alimentate a idrogeno

Quando si tratta di investire nel settore dell'aviazione, RTX (RTX )Offre un'opportunità ad alto potenziale. La più grande azienda aerospaziale e della difesa al mondo è un partner industriale chiave nella collaborazione IZEA. Dispone inoltre di ampi programmi di ricerca e sviluppo mirati a tecnologie aeronautiche sostenibili, tra cui sistemi a celle a combustibile e a idrogeno.

RTX Corp. (RTX ) 

RTX opera attraverso tre segmenti principali:

• Collins Aerospace fornisce prodotti aerospaziali e di difesa tecnologicamente avanzati alle compagnie aeree commerciali, ai produttori di aeromobili civili e militari e alle operazioni spaziali.
• Il segmento Pratt & Whitney fornisce motori per aeromobili a clienti militari, generali e commerciali.
• Raytheon sviluppa missili, armi intelligenti e capacità avanzate di difesa aerea e missilistica.

Attraverso le divisioni Collins Aerospace e Pratt & Whitney, RTX è attivamente coinvolta nello sviluppo e nella sperimentazione di aeromobili alimentati a idrogeno e tecnologie correlate.

Tra questi rientra anche il programma HySIITE, che mira a consentire all'industria aeronautica di utilizzare l'idrogeno su larga scala. Sponsorizzato dall'Advanced Research Projects Agency-Energy del Dipartimento dell'Energia (DOE), il progetto è ottimizzato per l'idrogeno liquido e si concluderà a dicembre 2024. I test sul banco HySIITE hanno mostrato una riduzione del 99.3% delle emissioni di NOx rispetto a un motore GTF e un miglioramento dell'efficienza energetica fino al 35%.

Nel frattempo, sono in corso altri due progetti per guidare il futuro dell'idrogeno nell'aviazione. L'HydeS (Hydrogen Advanced Engine Study), supportato dall'iniziativa congiunta industria-governo canadese INSAT, sta lavorando per promuovere l'uso dell'idrogeno negli aerei a turboelica. COCOLIH2T, invece, è supportato dalla Clean Hydrogen Joint Undertaking dell'UE e sta sviluppando un sistema per lo stoccaggio del carburante.

Per quanto riguarda l'andamento del mercato azionario di Raytheon, le sue azioni hanno registrato un andamento positivo. Le azioni della società, con una capitalizzazione di mercato di 183.64 miliardi di dollari al momento della stesura di questo articolo, sono state scambiate sopra i 137.50 dollari, un nuovo massimo storico (ATH), con un guadagno da inizio anno (YTD) del 18.7%.

Negli ultimi trent'anni, le azioni RTX hanno registrato una crescita costante. Il titolo è inoltre salito di circa il 21% dai minimi di aprile. Di conseguenza, l'utile per azione (TTM) è di 3.41 e il rapporto prezzo/utili (TTM) di 40.31. Raytheon offre anche un interessante rendimento da dividendi dell'1.98%.

Per quanto riguarda la situazione finanziaria aziendale, segnalati Ottima performance nel primo trimestre del 2025, con un fatturato in aumento del 5% rispetto all'anno precedente, raggiungendo i 20.3 miliardi di dollari, e un utile per azione rettificato di 1.47 dollari. Il flusso di cassa operativo di Raytheon in questo periodo è stato di 1.3 miliardi di dollari e il flusso di cassa libero di 0.8 miliardi di dollari, mentre il portafoglio ordini è di 217 miliardi di dollari, di cui 92 miliardi di dollari nel settore difesa e 125 miliardi di dollari nel settore commerciale.

"Abbiamo iniziato il 2025 con il piede giusto. Il contesto attuale è chiaramente molto dinamico, ma la nostra azienda è ben posizionata per operare con successo e i nostri team rimangono concentrati sul rispetto degli impegni presi e sulla consegna del nostro solido portafoglio ordini."

– Chris Calio, presidente e amministratore delegato di RTX

Per l'intero 2025, la società prevede vendite rettificate comprese tra 83 e 84.0 miliardi di dollari, un utile per azione rettificato compreso tra 6.00 e 6.15 dollari e un flusso di cassa libero compreso tra 7 e 7.5 miliardi di dollari, pur sottolineando che queste stime non tengono conto dell'impatto delle tariffe recentemente emanate.

In mezzo a tutto questo, proprio questa settimana l'azienda si è aggiudicata un contratto da 536 milioni di dollari dalla Marina degli Stati Uniti per la famiglia di radar SPY-6, ora installati su due delle loro navi, e altri tre pronti per l'installazione. Nel prossimo decennio, i radar saranno installati su oltre 60 navi della Marina degli Stati Uniti.

Come parte del contratto, Raytheon fornirà supporto continuo tramite formazione, installazione, integrazione e test, oltre ad aggiornamenti software per potenziare le capacità del radar.

“SPY-6 è il radar più avanzato della flotta navale statunitense e fornisce alle navi un nuovo livello di difesa contro le minacce in continua evoluzione.”

– Barbara Borgonovi, presidente di Naval Power presso Raytheon.

Il 13° radar di difesa missilistica AN/TPY-2 è stato consegnato anche alla Missile Defense Agency degli Stati Uniti, diventando la prima unità dotata di un array interamente basato su GaN, che migliora significativamente la sensibilità e le prestazioni del sistema.

L'azienda si è inoltre aggiudicata un contratto da 1.1 miliardi di dollari per la produzione e la consegna dei missili AIM-9X Sidewinder. Con questa assegnazione, Raytheon prosegue il suo supporto a lungo termine al programma Sidewinder, un sistema missilistico a corto raggio ampiamente utilizzato a livello globale.

Clicca qui per un elenco dei principali titoli azionari del settore aerospaziale e della difesa.

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni di RTX Corp. (RTX)

Considerazioni finali: il ruolo dell'idrogeno nell'aviazione sostenibile

Il settore dell'aviazione è in rapida crescita e contribuisce allo sviluppo economico e sociale globale, ma allo stesso tempo sta creando un'urgente necessità di affrontare il problema delle emissioni di carbonio e delle scie di condensazione. In questo contesto, l'idrogeno, con la sua elevata energia chimica specifica, si è affermato come una promettente alternativa pulita ai combustibili.

In quest'ottica, l'ultimo studio presenta un quadro completo per la progettazione e l'ottimizzazione di un sistema di stoccaggio, gestione termica e controllo del trasferimento dell'idrogeno liquido, dimostrandone il potenziale per promuovere tecnologie aeronautiche efficienti e sostenibili.

Sfruttando l'impatto positivo dell'idrogeno sui cambiamenti climatici e sulla qualità dell'aria, l'industria aeronautica ha ora a disposizione una strada percorribile per ridurre la propria impronta di carbonio, aprendo la strada a un futuro in cui i viaggi a lunga distanza non saranno più a scapito del pianeta.

Clicca qui per scoprire le ultime innovazioni aerospaziali che aprono la strada al volo di nuova generazione.

Studi citati:

^{1. Virdi, PS, Guo, W., Cattafesta, LN III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, JC, He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S. e Zheng, J.-P. (2025). Sistema di stoccaggio, gestione termica e controllo del trasferimento di idrogeno liquido per l'aviazione integrata a zero emissioni (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}